何樸芳，吳　赟，蔣新華(.東華大學(xué)，上海060；.上海航天電源技術(shù)有限責(zé)任公司，上海065)

電動(dòng)汽車電池管理的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)與故障診斷

何樸芳1，吳赟1，蔣新華2
(1.東華大學(xué)，上海201620；2.上海航天電源技術(shù)有限責(zé)任公司，上海201615)

結(jié)合GPRS無線傳輸和CAN通信的高可靠性，設(shè)計(jì)了一種以MSP430為主控制器的面向電池管理的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)與故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對批量電池生產(chǎn)設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、安全保護(hù)、故障診斷、SOC估算校正等，掌握現(xiàn)場電池運(yùn)行狀態(tài)，有效評估電池優(yōu)劣，提高電池組利用率和使用壽命，降低人員工作量，控制風(fēng)險(xiǎn)，具有一定實(shí)用價(jià)值。

電池管理；CAN通信；無線傳輸

傳統(tǒng)的電池批量生產(chǎn)中，或者大型電動(dòng)汽車、列車的電池設(shè)計(jì)時(shí)，針對電池管理系統(tǒng)采集的電池單體電壓、電流和溫度、荷電狀態(tài)(SOC)等數(shù)據(jù)，都采用RS-232串口傳輸，通訊距離不能太長，不能直接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的需求，傳輸速度慢，限制數(shù)據(jù)的大量高速傳輸。GPRS無線技術(shù)具有隨時(shí)在線、運(yùn)行費(fèi)用低、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，適合于需頻繁傳送小流量的應(yīng)用領(lǐng)域，采用TCP/IP協(xié)議，通過無線通道傳輸數(shù)據(jù)，有效解決工業(yè)設(shè)備與外界交換中通訊距離短、傳輸速度慢、傳輸數(shù)據(jù)量少的問題，并減輕工作人員工作量，提高時(shí)間利用率，降低風(fēng)險(xiǎn)[1]。

本文設(shè)計(jì)面向電池管理的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)與故障診斷系統(tǒng)，以MSP430F149為主控制器，CAN總線技術(shù)和GPRS無線技術(shù)為核心，傳輸電池管理系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端與近端管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和指令的交流，對電池組的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)與故障診斷，SOC估算校正，實(shí)行對電池組單體電池的優(yōu)劣分類、替換、設(shè)計(jì)高匹配的電池組等。

1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文完成數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，近端實(shí)現(xiàn)CAN總線傳輸采集的數(shù)據(jù)至主控制器，主控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取換算，閾值判斷，顯示屏顯示，并控制GPRS模塊，發(fā)送至遠(yuǎn)程終端。每套電池組都帶有電池管理系統(tǒng)(BMS)，完成單體電池的電壓和溫度的檢測，總電壓和總電流的測量、電池組充放電控制、SOC估算

此外，系統(tǒng)還提供短信報(bào)警功能，當(dāng)發(fā)生參數(shù)超限時(shí)，主控制器自動(dòng)向預(yù)先設(shè)定的維保人員手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信，當(dāng)BMS系統(tǒng)故障或GPRS網(wǎng)絡(luò)通信中斷，也可以通過短信途徑報(bào)警。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　　系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

從設(shè)計(jì)成本和節(jié)能出發(fā)，本文選用美國德州儀器(TI)1996年推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集的混合信號處理器——MSP430單片機(jī)作為中央控制器，具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗的特點(diǎn)，性價(jià)比高。

CAN通信選用Microchip的MCP2515，獨(dú)立的控制器局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制器，完全支持CAN V2.0B技術(shù)規(guī)范，發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀以及遠(yuǎn)程幀，自帶兩個(gè)驗(yàn)收屏蔽寄存器和六個(gè)驗(yàn)收濾波寄存器，可以過濾掉不想要的報(bào)文，減少M(fèi)CU的開銷，有獨(dú)立的SPI接口，連線方便。

GPRS模塊選用 LQ 1000 GPRS DTU，提供標(biāo)準(zhǔn)RS232/485數(shù)據(jù)接口，可以方便地連接各種設(shè)備，僅需一次性完成初始化設(shè)置，用戶設(shè)備就可以與數(shù)據(jù)中心通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全透明傳輸。

MSP430F149有兩個(gè)USART通信端口，支持串口異步和同步通訊，在硬件組合時(shí)串口0連接GPRS模塊實(shí)現(xiàn)無線通信，串口1作為SPI口進(jìn)行CAN通信通訊。系統(tǒng)上電后，BMS負(fù)責(zé)單體電壓溫度、總體電壓電流等信息的采集和計(jì)算，并將數(shù)據(jù)上傳到總線，監(jiān)控中心定時(shí)接收總線上的數(shù)據(jù)信息，完成電池組的數(shù)據(jù)顯示、平衡管理、安全控制等，以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。上位機(jī)具有TCP偵聽功能，隨時(shí)接收GPRS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。硬件系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　硬件系統(tǒng)

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1CAN總線應(yīng)用程序

3.1.1CAN協(xié)議

本通信系統(tǒng)采用CAN2.0B協(xié)議擴(kuò)展幀格式，對其ID進(jìn)行功能劃分，通訊波特率選擇125 kb/s。網(wǎng)絡(luò)通信以幀為單位進(jìn)行，CAN幀一律為8 Byte數(shù)據(jù)的擴(kuò)展格式幀，幀ADDRO中各bit定義為：FF=1(擴(kuò)展格式)；RTR=0(非遠(yuǎn)程幀)；DLC. 3-DLC.0=1 0 0 0(幀報(bào)文格式為8個(gè)字節(jié))。擴(kuò)展幀共有29位ID，設(shè)計(jì)為：優(yōu)先級2|功能碼4|報(bào)文編號6位|源地址8位|目標(biāo)地址8位|應(yīng)答位1[2]。

優(yōu)先級：00,01,10,11，分別指示報(bào)文的優(yōu)先級，00為最高級，用于發(fā)送控制命令和報(bào)警信息，11為最低級，用于發(fā)送狀態(tài)信息，01用于設(shè)置參數(shù)，10用于發(fā)送異常信息。

功能碼：用于指示報(bào)文的信息類別，包含溫度信息、電壓信息、電流信息、總電流電壓信息、SOC、異常信息等。

報(bào)文編號：6位，用于主控制器識別數(shù)據(jù)來源以及發(fā)送控制命令到各BMS單元的單元編號，接收報(bào)文的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)報(bào)文中單元編號對對應(yīng)的BMS單元進(jìn)行控制。

應(yīng)答位：1位，對報(bào)警信息和控制信息做出應(yīng)答，狀態(tài)信息無需應(yīng)答。

對于整個(gè)電池系統(tǒng)，相關(guān)數(shù)據(jù)可以打包到1幀中，保證數(shù)據(jù)的發(fā)送效率，充分利用總線帶寬，對于需要快速發(fā)送的數(shù)據(jù)比如控制命令、報(bào)警信息，數(shù)據(jù)長度要盡可能短，以確保傳輸時(shí)間足夠短，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

3.1.2初始化

CAN總線建立通信，首先進(jìn)行初始化，根據(jù)擴(kuò)展幀模式對接收發(fā)送緩沖器、驗(yàn)收屏蔽寄存器和驗(yàn)收濾波器、位定時(shí)等參數(shù)做相應(yīng)的設(shè)置；設(shè)置完畢，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)接收傳輸狀態(tài)，準(zhǔn)備待發(fā)報(bào)文，接收報(bào)文并對錯(cuò)誤狀況進(jìn)行處理。初始化程序如下：

3.1.3發(fā)送報(bào)文和接收報(bào)文

在發(fā)送起始幀SOF之前，等待發(fā)送的報(bào)文的發(fā)送緩沖器的優(yōu)先級進(jìn)行比較，由于發(fā)送緩沖器0的優(yōu)先級高于發(fā)送緩沖器1，因此發(fā)送緩沖器0將先發(fā)送。通過將TXBnCTRL. TXREQ位置1，即啟動(dòng)相應(yīng)緩沖器的報(bào)文發(fā)送。

報(bào)文驗(yàn)收濾波器及屏蔽寄存器用來確定報(bào)文集成緩沖器中的報(bào)文是否應(yīng)該被載入接收濾波器，報(bào)文標(biāo)識符段將與寄存器的值進(jìn)行比較，匹配者對應(yīng)的報(bào)文將被載入相應(yīng)的接收濾波器。主控制器收到數(shù)據(jù)，存入內(nèi)存單元，根據(jù)CAN協(xié)議分離ID部分和數(shù)據(jù)部分，ID可以分辨出信息來源和信息類型，按照協(xié)議結(jié)構(gòu)提取數(shù)據(jù)的起始字節(jié)和總字節(jié)數(shù)，經(jīng)過偏移量和比例因子運(yùn)算計(jì)算出數(shù)據(jù)的十進(jìn)制值[3]。

濾波/屏蔽寄存器真值表見圖3。

發(fā)送和接收的流程如圖4、圖5所示。

圖3　濾波/屏蔽寄存器真值表

圖4　　發(fā)送流程

圖5　　接收流程

3.2GPRS技術(shù)

本文實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸采用GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為中介，GPRS技術(shù)的關(guān)鍵是以IP包的格式將數(shù)據(jù)進(jìn)行包裝，通過PPP協(xié)議獲取動(dòng)態(tài)分配的IP地址，通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議(TCP，UDP)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊。如果上位機(jī)的IP地址是隨機(jī)非固定的，需采用動(dòng)態(tài)域名解析的方式解決每次開機(jī)IP地址不一樣的問題，將GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)定為固定的域名地址，上位機(jī)通過域名解析軟件將固定域名解析為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的公共IP地址，所采用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為TCP協(xié)議[4]。

系統(tǒng)上電后，GPRS初始化，設(shè)置UART0串口波特率，發(fā)送AT指令激活GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，獲取動(dòng)態(tài)IP，設(shè)置好接收IP和端口，傳輸數(shù)據(jù)。GPRS發(fā)送的數(shù)據(jù)段內(nèi)容結(jié)構(gòu)和CAN設(shè)置的格式類似，上位機(jī)依據(jù)每段字節(jié)含義分解數(shù)據(jù)，偵聽到數(shù)據(jù)來臨，判斷起始位是否狀態(tài)信息、異常信息或者報(bào)警信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類保存，最終得到每組電池運(yùn)行情況動(dòng)態(tài)表。若上位機(jī)接收到異常信息，查看對應(yīng)異常電池組動(dòng)態(tài)變化，判定異常級別，故障診斷，并給予信息反饋和處理措施。對于報(bào)警信息，上位機(jī)回復(fù)控制命令至主控制器，主控制器發(fā)送至BMS單元，實(shí)現(xiàn)安全控制。

GPRS模塊參數(shù)設(shè)置的指令有：

AT+CGCLASS="B" //設(shè)置模塊工作類型；

AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET" ；

AT+CGATT=1//激活PDP，獲得IP

AT+CIPCSGP=1,"CMNET" ；

AT+CIPSTART="TCP",IP地址 ；

AT+CIPSEND ，"內(nèi)容"。

為保證數(shù)據(jù)傳輸可靠實(shí)時(shí)，BMS所有單元與主控制器、上位機(jī)每5分鐘發(fā)送一次互動(dòng)信息，由主控制器發(fā)出，BMS單元和上位機(jī)給予回應(yīng)，當(dāng)回應(yīng)信息沒有正常收到，主控制器發(fā)送報(bào)警信息至管理員手機(jī)。軟件流程如圖6所示。

圖6　　軟件流程

4 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)通過對8組電池、每組電池8節(jié)進(jìn)行充放電，實(shí)現(xiàn)了對電池組的電壓、電流、溫度以及SOC狀態(tài)的監(jiān)測和安全管理，GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)護(hù)，工作人員通過上位機(jī)可以實(shí)時(shí)查看電池系統(tǒng)狀況和異常情況，減輕工作量，降低風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)上位機(jī)存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)，可以進(jìn)行故障診斷，和近端電池系統(tǒng)進(jìn)行指令溝通，可以結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行安全分析，方便工作人員有目的地分析數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)數(shù)據(jù)狀況分析電池系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)，檢測異常報(bào)文的可靠性，實(shí)現(xiàn)即時(shí)調(diào)整預(yù)警閾值，提高工作效率。進(jìn)行單體電池的比較分析，替代劣質(zhì)電池，可組合高匹配電池組，設(shè)計(jì)高利用率、高安全的電池系統(tǒng)。

[1]景柏豪，沈孟良，唐曄鈞.CAN-Modbus/TCP協(xié)議轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2013，34(5)：1552-1556.

[2]王邦繼，劉慶想，李相強(qiáng)，等.CAN總線應(yīng)用層協(xié)議的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2011，47(20)：14-16.

[3]陳燕虹，沈帥，劉宏偉，等.多輛電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2013，43(2)：285-290.

[4]楊文繼，陳恒，金偉.一種基于GPRS通信的車輛檢測器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(15)：164-166.

Battery management system for remote monitoring and fault diagnosis

HE Pu-fang1,WU Yun1,JIANG Xin-hua2
(1.Donghua University,Shanghai 201620,China;2.Shanghai Aerospace Power Technology Co.,LTD,Shanghai 201615,China)

Combined with GPRS wireless transmission and CAN communication with high reliability,a kind of battery management system for remote monitoring and fault diagnosis was designed,that MSP430 was used as the main controller，to realize remote real-time monitoring for the batch of battery production design,safety protection,fault diagnosis,SOC estimation,calibration,etc.The battery operation state was mastered,batteries were effectively evaluated,the utilization rate and the service life of the battery pack were improved,the workload of workers,and controlrisk were reduced.Above all had certain practical value.

battery management;CAN bus communication;wireless transmission

TM 912

A

1002-087 X(2016)01-0110-03

2015-06-05

何樸芳(1989—)，女，安徽省人，碩士，主要研究方向?yàn)殡娫垂芾怼o線通信。和故障預(yù)警等功能。BMS設(shè)有CAN通信接口，定時(shí)向外發(fā)送電池組工況數(shù)據(jù)，經(jīng)過CAN通道至主控制器MSP430，并由主控制器控制GPRS模塊上傳遠(yuǎn)程上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)電池系統(tǒng)的運(yùn)行。